專利名稱：光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分子影像技術(shù)領(lǐng)域，涉及光學(xué)成像理論、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、數(shù)學(xué)建模等學(xué)科知識(shí)，尤其是一種適用于生物學(xué)科對(duì)小尺寸物體進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、無創(chuàng)、在體的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)投影斷層成像(OPT)技術(shù)是利用光線在小尺寸生物體中沿直線傳播的特點(diǎn)，
發(fā)射可見光線穿透樣本，或者采用激光激發(fā)樣本產(chǎn)生熒光，然后用相機(jī)采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，進(jìn)行三維成像。具體來說，在進(jìn)行光學(xué)投影斷層成像時(shí)，需要對(duì)樣本進(jìn)行多角度掃描，一般采用電控轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)樣本進(jìn)行步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)到一個(gè)角度采集一幅或多幅投影圖像。光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)圓軌道掃描最終采集到的數(shù)據(jù)是一系列不同角度下光線穿過樣本的二維投影圖像，通過相應(yīng)的重建算法便可得到三維圖像。通過上述這種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、結(jié)構(gòu)功能一體化、無輻射的對(duì)小尺度對(duì)活體生物進(jìn)行細(xì)胞水平的定性和定量研究，實(shí)現(xiàn)生物體的實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、在體成像。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，以完成小尺度生物樣本的投影圖獲取、圖像的分析處理，能夠?qū)π〕叨葘?duì)活體生物進(jìn)行定性和定量研究，實(shí)現(xiàn)生物體的實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、在體成像。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，包括光源模塊，用于提供照射樣本的白光或激光；樣本承載定位模塊，用于樣本位置的調(diào)整以及帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)以采集多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊，用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的匯聚，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性采集；中央控制模塊，用于協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光源的開閉和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，平移臺(tái)的中心校正，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置，EMCCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；以及設(shè)備外圍模塊，用于為成像提供一個(gè)抗干擾的穩(wěn)定環(huán)境。上述方案中，所述光源模塊由鹵素?zé)鬒、激光器2和激光擴(kuò)束器3構(gòu)成；其中，鹵素?zé)鬒發(fā)出白光，用于生物樣本的結(jié)構(gòu)成像；激光器2發(fā)出激光，用于生物樣本的特異性成像；白光或激光均是通過光纖導(dǎo)出至指定位置，激光被導(dǎo)出至激光擴(kuò)束器3，激光擴(kuò)束器3用于將激光器發(fā)出的光擴(kuò)展為均勻準(zhǔn)直的光束，經(jīng)過激光擴(kuò)束器3將光束擴(kuò)展為可覆蓋掃描樣本的均勻光斑。上述方案中，所述生物樣本的結(jié)構(gòu)成像即透射式光學(xué)投影斷層成像，在該透射式光學(xué)投影斷層成像中光線直接穿過樣本，利用樣本對(duì)光線的吸收特性，獲得樣本的三維解剖結(jié)構(gòu)像。在透射式光學(xué)投影斷層成像中，鹵素?zé)鬒發(fā)出的白光光束方向與EMCCD相機(jī)的主光軸方向平行。
上述方案中，所述生物樣本的特異性成像即發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像，在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，當(dāng)激光照射到樣本上，激發(fā)樣本上的熒光染料或熒光蛋白發(fā)射出波長更長的熒光信號(hào)，后續(xù)的EMCCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)通過窄帶濾波片濾去激發(fā)光，僅采集熒光信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行三維重建，從而重建出熒光染料或熒光蛋白在樣本上的分布信息，實(shí)現(xiàn)分子特異性成像。在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，所述激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直，采用激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直的方式對(duì)樣本進(jìn)行照射。上述方案中，所述激光器2采用輸出為固定波長的連續(xù)波激光器，通過信號(hào)線連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)光源控制，通過中央控制模塊控制激光器2的開閉和輸出功率的大小。上述方案中，所述樣本承載定位模塊由毛細(xì)玻璃管4、匹配液槽5和機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6構(gòu)成；其中，毛細(xì)玻璃管4用于固定樣本；匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過程中樣本被浸泡在光學(xué)匹配液中；機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6 用于實(shí)現(xiàn)樣本上下、前后、左右和旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，前三個(gè)自由度上下、前后、左右用于精確控制樣本的位置在顯微裝置的焦平面附近，第四個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)是為了相機(jī)能采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，以便三維重建。上述方案中，所述毛細(xì)玻璃管4在固定樣本時(shí)有兩種固定方式，當(dāng)樣本為體型較大的果蠅時(shí)采用吸附方式固定樣本，將樣本粘在毛細(xì)玻璃管4的一端；當(dāng)樣本為體型較小的線蟲時(shí)采用封裝方式固定樣本，將樣本封閉在毛細(xì)玻璃管中。上述方案中，所述毛細(xì)玻璃管4由硼硅酸鹽材料制成，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，匹配液的折射系數(shù)與生物組織的折射率相近，匹配液槽的光學(xué)系數(shù)與匹配液系數(shù)相近。上述方案中，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用電控驅(qū)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)線連接至控制箱，控制箱通過串口連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，通過控制軟件控制平移臺(tái)的移動(dòng)距離、移動(dòng)速度和加速度，并控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)角、角位移、角速度和每旋轉(zhuǎn)一步后的等待時(shí)間。為了將樣本浸泡在光學(xué)匹配液中，減少光線的散射，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)懸掛倒置的方式安裝固定旋轉(zhuǎn)臺(tái)，通過機(jī)械連接塊將旋轉(zhuǎn)臺(tái)與三維平移臺(tái)裝置結(jié)合在一起。上述方案中，所述信號(hào)采集模塊由顯微鏡物鏡7、窄帶濾波器8、光圈9、顯微鏡目鏡10和EMCXD相機(jī)11構(gòu)成，顯微鏡目鏡10通過標(biāo)準(zhǔn)C 口與EMCXD相機(jī)11相連，EMCXD相機(jī)11的控制信號(hào)和視頻信號(hào)通過信號(hào)線連接至中央控制模塊上的PCI板卡，以實(shí)現(xiàn)集中控制，通過控制軟件控制相機(jī)的曝光時(shí)間和拍攝間隔，并實(shí)時(shí)將所拍攝的圖像存儲(chǔ)至工作站，保存格式為tif文件。上述方案中，所述顯微鏡物鏡7和顯微鏡目鏡10，其放大倍數(shù)均可調(diào)，以適應(yīng)不同生物樣本的尺寸和不同精度的需求，并根據(jù)需要在鏡筒中添加了更換濾波片的裝置，使系統(tǒng)能同機(jī)采集多種光譜的信號(hào)。上述方案中，所述EMCXD相機(jī)具有高達(dá)92%以上的量子效率和電子倍增功能，數(shù)據(jù)傳輸速率比常規(guī)的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)高數(shù)十倍，非常適合于快速OPT成像的要求，同時(shí)通過半導(dǎo)體制冷技術(shù)降溫到_95°C，有效的降低電子噪聲的影響。上述方案中，所述中央控制模塊由工作站以及工作站與各設(shè)備相連的信號(hào)線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，通過控制軟件保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后等待的時(shí)間和相機(jī)的曝光時(shí)間相吻合，以確保多角度投影的獲取。上述方案中，所述中央控制模塊在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和EMCCD相機(jī)的配合時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的等待時(shí)間正好相機(jī)拍攝，且旋轉(zhuǎn)臺(tái)和EMCCD相機(jī)的動(dòng)作周期相同，即旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間與等待時(shí)間之和與EMCCD相機(jī)的拍攝時(shí)間及停留時(shí)間之和相等。上述方案中，所述設(shè)備外圍模塊由暗箱、光學(xué)平臺(tái)以及各個(gè)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，光學(xué)平臺(tái)用于保證成像的精度，暗箱用于提供一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的抗干擾環(huán)境。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，無需損失生物組織器官的完整性即可獲 得高清晰的三維結(jié)構(gòu)像，其成像視野恰好覆蓋組織、胚胎和小模式動(dòng)物的范圍，為小尺寸生物樣本提供了一種新的成像工具。2、本發(fā)明提供的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，具有分辨率高、結(jié)構(gòu)功能一體化、無輻射、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，它可以在小尺度對(duì)活體生物進(jìn)行定性和定量研究，實(shí)現(xiàn)生物體的實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、動(dòng)態(tài)、在體成像。


圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的工作流程圖；圖中1鹵素?zé)簟?激光器、3激光擴(kuò)束器、4毛細(xì)玻璃管、5匹配液槽、6機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置、7顯微鏡物鏡、8窄帶濾波器、9光圈、10顯微鏡目鏡、11EMCXD相機(jī)、12工作站、13暗箱、14光學(xué)平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)包括光源模塊、樣本承載定位模塊、信號(hào)采集模塊、中央控制模塊和設(shè)備外圍模塊五部分，其中，光源模塊用于提供照射樣本的白光或激光；樣本承載定位模塊用于樣本位置的調(diào)整以及帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)以采集多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的匯聚，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性的采集；中央控制模塊用于協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光源的開閉和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，平移臺(tái)的中心校正，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置，EMCCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；設(shè)備外圍模塊用于為成像提供一個(gè)抗干擾的穩(wěn)定環(huán)境。光源模塊由齒素?zé)鬒、激光器2和激光擴(kuò)束器3構(gòu)成；其中，齒素?zé)鬒發(fā)出白光,用于生物樣本的結(jié)構(gòu)成像；激光器2發(fā)出激光，用于生物樣本的特異性成像；白光或激光均是通過光纖導(dǎo)出至指定位置，激光被導(dǎo)出至激光擴(kuò)束器3，激光擴(kuò)束器3用于將激光器發(fā)出的光擴(kuò)展為均勻準(zhǔn)直的光束，經(jīng)過激光擴(kuò)束器3將光束擴(kuò)展為可覆蓋掃描樣本的均勻光斑。鹵素?zé)鬒用于發(fā)出白光，通過功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)光源的亮度，以滿足不同樣本的實(shí)驗(yàn)需求。白光主要用于生物樣本的結(jié)構(gòu)成像，即透射式OPT (transmission OPT, tOPT)。透射式OPT中光線直接穿過樣本，利用樣本對(duì)光線的吸收特性，獲得樣本的三維解剖結(jié)構(gòu)像。在透射式光學(xué)投影斷層成像中，齒素?zé)鬒發(fā)出的白光光束方向與EMCCD相機(jī)的主光軸方向平行。激光器2用于生物樣本的特異性成像，即發(fā)射式OPT (emission 0PT，e0PT)。發(fā)射式OPT中，當(dāng)激光照射到樣本上，激發(fā)樣本上的熒光染料或熒光蛋白發(fā)射出波長更長的熒光信號(hào)，后續(xù)的EMCCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)通過窄帶濾波片濾去激發(fā)光，僅采集熒光信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行三維重建，從而重建出熒光染料或熒光蛋白在樣本上的分布信息，實(shí)現(xiàn)分子特異性成像。在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，所述激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直，米用激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直的方式對(duì)樣本進(jìn)行照射。白光或激光都是通過光纖導(dǎo)出至指定位置。激光導(dǎo)出至激光擴(kuò)束器3，經(jīng)過激光擴(kuò)束器3將光束擴(kuò)展為可覆蓋掃描樣本的均勻光斑。激光器2采用輸出為固定波長的連續(xù)波激光器，通過信號(hào)線連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)光源控制，通過中央控制模塊控制激光器
2的開閉和輸出功率的大小。樣本承載定位模塊由毛細(xì)玻璃管4、匹配液槽5和機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6構(gòu)成。毛細(xì)玻璃管4用于固定樣本，在固定樣本時(shí)有兩種固定方式，當(dāng)樣本為果蠅等體型較大樣本時(shí)采用吸附方式(粘在毛細(xì)玻璃管4的一端)固定樣本，當(dāng)樣本為線蟲等體型較小樣本時(shí)采用封裝方式(將整個(gè)物體封閉在毛細(xì)玻璃管中)固定樣本。當(dāng)采用封裝方式固定物體時(shí)必須考慮毛細(xì)玻璃管的材料，以確保反射最小。該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)采用的毛細(xì)玻璃管由硼硅酸鹽材料制成。匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過程中樣本將浸泡在光學(xué)匹配液中進(jìn)行，匹配液的折射系數(shù)與生物組織的折射率相近，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，其光學(xué)系數(shù)與匹配液系數(shù)相近。機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6是該樣本承載定位模塊的核心，該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)引入上下、前后、左右和旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，前三個(gè)自由度用于精確控制樣本的位置在顯微裝置的焦平面附近。旋轉(zhuǎn)是為了相機(jī)能采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，以便三維重建。旋轉(zhuǎn)的精度也是該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)采用高精度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，確保所采集到的投影圖是等角度的投影圖。機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用電控驅(qū)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)線連接至控制箱，控制箱通過串口連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，通過控制軟件控制平移臺(tái)的移動(dòng)距離、移動(dòng)速度和加速度，并控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)角、角位移、角速度和每旋轉(zhuǎn)一步后的等待時(shí)間。為了將樣本浸泡在光學(xué)匹配液中，減少光線的散射，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)懸掛倒置的方式安裝固定旋轉(zhuǎn)臺(tái)，通過機(jī)械連接塊將旋轉(zhuǎn)臺(tái)與三維平移臺(tái)裝置結(jié)合在一起。信號(hào)采集模塊由顯微鏡物鏡7、窄帶濾波器8、光圈9、顯微鏡目鏡10和EMCXD相機(jī)11構(gòu)成。顯微鏡目鏡10通過標(biāo)準(zhǔn)C 口與EMCXD相機(jī)11相連，EMCXD相機(jī)11的控制信號(hào)和視頻信號(hào)通過信號(hào)線連接至中央控制模塊上的PCI板卡，以實(shí)現(xiàn)集中控制，通過控制軟件控制相機(jī)的曝光時(shí)間和拍攝間隔，并實(shí)時(shí)將所拍攝的圖像存儲(chǔ)至工作站，保存格式為tif文件。顯微鏡物鏡7和顯微鏡目鏡10，其放大倍數(shù)均可調(diào)，以適應(yīng)不同生物樣本的尺寸和不同精度的需求，并根據(jù)需要在鏡筒中添加了更換濾波片的裝置，使系統(tǒng)能同機(jī)采集多種光譜的信號(hào)。該光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)中采用的EMCXD相機(jī)具有高達(dá)92%以上的量子效率和電子倍增(Electron Multiplying, EM)功能,數(shù)據(jù)傳輸速率比常規(guī)的科學(xué)級(jí)(XD相機(jī)高數(shù)十倍，非常適合于快速OPT成像的要求，同時(shí)通過半導(dǎo)體制冷技術(shù)降溫到-95°C，有效的降低電子噪聲的影響。中央控制模塊由工作站以及工作站與各設(shè)備相連的信號(hào)線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，通過控制軟件保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后等待的時(shí)間和相機(jī)的曝光時(shí)間相吻合，以確保多角度投影的獲取。中央控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是旋轉(zhuǎn)臺(tái)和EMCCD相機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的等待時(shí)間正好相機(jī)拍攝，且這兩種設(shè)備的動(dòng)作周期相同，即旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間與等待時(shí)間之和與EMCCD相機(jī)的拍攝時(shí)間及停留時(shí)間之和相等。設(shè)備外圍模塊由暗箱、光學(xué)平臺(tái)以及各個(gè)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，光學(xué)平臺(tái)用于保證成像的精度，暗箱用于提供一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的抗干擾環(huán)境。圖2示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的工作流程圖，須先將樣 本置于樣本承載定位模塊后才可以進(jìn)行如下操作，光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)的使用操作包括如下步驟I :首先啟動(dòng)本發(fā)明的控制軟件，開啟鹵素?zé)?、控制箱和EMCCD相機(jī)。根據(jù)相機(jī)采集到的實(shí)時(shí)圖像，通過調(diào)節(jié)平移臺(tái)的上下、前后、左右運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，使樣本正好在顯微裝置的焦平面附近，成像最清晰。步驟I完成后才可進(jìn)行下面的步驟。步驟2 :設(shè)定旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)，包括步進(jìn)角、角位移、角速度和每旋轉(zhuǎn)一步后的等待時(shí)間。設(shè)定相機(jī)的工作參數(shù)，包括曝光時(shí)間和拍攝間隔。選擇成像模式，當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)成像時(shí)，白光開啟、激光關(guān)閉；選擇特異性成像時(shí)，激光開啟，白光關(guān)閉。至此，參數(shù)設(shè)置完畢。步驟3:圖像采集，此時(shí)各部分協(xié)調(diào)工作。采集到的圖像顯示在軟件顯示區(qū)域。并自動(dòng)保存到指定位置。圖像采集完畢，系統(tǒng)自動(dòng)處理獲取到的投影圖，重建出圖像的三維結(jié)構(gòu)，并輸出重建后的結(jié)果。至此，本次數(shù)據(jù)處理完畢。依次關(guān)閉暗箱內(nèi)各電控設(shè)備，最后關(guān)閉工作站。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 光源模塊，用于提供照射樣本的白光或激光； 樣本承載定位模塊，用于樣本位置的調(diào)整以及帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)以采集多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)； 信號(hào)采集模塊，用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的匯聚，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性的采集； 中央控制模塊，用于協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光源的開閉和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，平移臺(tái)的中心校正，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置，EMCCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 設(shè)備外圍模塊，用于為成像提供一個(gè)抗干擾的穩(wěn)定環(huán)境。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊由鹵素?zé)鬒、激光器2和激光擴(kuò)束器3構(gòu)成；其中，鹵素?zé)鬒發(fā)出白光，用于生物樣本的結(jié)構(gòu)成像；激光器2發(fā)出激光，用于生物樣本的特異性成像；白光或激光均是通過光纖導(dǎo)出至指定位置，激光被導(dǎo)出至激光擴(kuò)束器3，激光擴(kuò)束器3用于將激光器發(fā)出的光擴(kuò)展為均勻準(zhǔn)直的光束，經(jīng)過激光擴(kuò)束器3將光束擴(kuò)展為可覆蓋掃描樣本的均勻光斑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述生物樣本的結(jié)構(gòu)成像即透射式光學(xué)投影斷層成像，在該透射式光學(xué)投影斷層成像中光線直接穿過樣本，利用樣本對(duì)光線的吸收特性，獲得樣本的三維解剖結(jié)構(gòu)像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，在透射式光學(xué)投影斷層成像中，鹵素?zé)鬒發(fā)出的白光光束方向與EMCCD相機(jī)的主光軸方向平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述生物樣本的特異性成像即發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像，在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，當(dāng)激光照射到樣本上，激發(fā)樣本上的熒光染料或熒光蛋白發(fā)射出波長更長的熒光信號(hào)，后續(xù)的EMCCD相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)通過窄帶濾波片濾去激發(fā)光，僅采集熒光信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行三維重建，從而重建出熒光染料或熒光蛋白在樣本上的分布信息，實(shí)現(xiàn)分子特異性成像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，在發(fā)射式光學(xué)投影斷層成像中，所述激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直，采用激光的光束方向與EMCCD主光軸方向垂直的方式對(duì)樣本進(jìn)行照射。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器2采用輸出為固定波長的連續(xù)波激光器，通過信號(hào)線連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)光源控制，通過中央控制模塊控制激光器2的開閉和輸出功率的大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述樣本承載定位模塊由毛細(xì)玻璃管4、匹配液槽5和機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6構(gòu)成；其中，毛細(xì)玻璃管4用于固定樣本；匹配液槽5用于盛放特定匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過程中樣本被浸泡在光學(xué)匹配液中；機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6用于實(shí)現(xiàn)樣本上下、前后、左右和旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，前三個(gè)自由度上下、前后、左右用于精確控制樣本的位置在顯微裝置的焦平面附近，第四個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)是為了相機(jī)能采集多個(gè)角度的樣本投影視圖，以便三維重建。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述毛細(xì)玻璃管4在固定樣本時(shí)有兩種固定方式，當(dāng)樣本為體型較大的果蠅時(shí)采用吸附方式固定樣本，將樣本粘在毛細(xì)玻璃管4的一端；當(dāng)樣本為體型較小的線蟲時(shí)采用封裝方式固定樣本，將樣本封閉在毛細(xì)玻璃管中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述毛細(xì)玻璃管4由硼硅酸鹽材料制成，匹配液槽5由透明的硼硅玻璃制成，用于盛放特定的匹配液，以減少光線在生物體表發(fā)生折射和反射效應(yīng)，匹配液的折射系數(shù)與生物組織的折射率相近，匹配液槽的光學(xué)系數(shù)與匹配液系數(shù)相近。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用電控驅(qū)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)線連接至控制箱，控制箱通過串口連接至中央控制模塊，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，通過控制軟件控制平移臺(tái)的移動(dòng)距離、移動(dòng)速度和加速度，并控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)角、角位移、角速度和每旋轉(zhuǎn)一步后的等待時(shí)間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，為了將樣本浸泡在光學(xué)匹配液中，減少光線的散射，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置6采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)懸掛倒置的方式安裝固定旋轉(zhuǎn)臺(tái)，通過機(jī)械連接塊將旋轉(zhuǎn)臺(tái)與三維平移臺(tái)裝置結(jié)合在一起。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)采集模塊由顯微鏡物鏡7、窄帶濾波器8、光圈9、顯微鏡目鏡10和EMCXD相機(jī)11構(gòu)成，顯微鏡目鏡10通過標(biāo)準(zhǔn)C 口與EMCXD相機(jī)11相連，EMCXD相機(jī)11的控制信號(hào)和視頻信號(hào)通過信號(hào)線連接至中央控制模塊上的PCI板卡，以實(shí)現(xiàn)集中控制，通過控制軟件控制相機(jī)的曝光時(shí)間和拍攝間隔，并實(shí)時(shí)將所拍攝的圖像存儲(chǔ)至工作站，保存格式為tif文件。v
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述顯微鏡物鏡7和顯微鏡目鏡10，其放大倍數(shù)均可調(diào)，以適應(yīng)不同生物樣本的尺寸和不同精度的需求，并根據(jù)需要在鏡筒中添加了更換濾波片的裝置，使系統(tǒng)能同機(jī)采集多種光譜的信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述EMCCD相機(jī)具有高達(dá)92%以上的量子效率和電子倍增功能，數(shù)據(jù)傳輸速率比常規(guī)的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)高數(shù)十倍，非常適合于快速OPT成像的要求，同時(shí)通過半導(dǎo)體制冷技術(shù)降溫到_95°C，有效的降低電子噪聲的影響。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制模塊由工作站以及工作站與各設(shè)備相連的信號(hào)線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，通過控制軟件保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后等待的時(shí)間和相機(jī)的曝光時(shí)間相吻合，以確保多角度投影的獲取。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制模塊在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和EMCCD相機(jī)的配合時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的等待時(shí)間正好相機(jī)拍攝，且旋轉(zhuǎn)臺(tái)和EMCCD相機(jī)的動(dòng)作周期相同，即旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間與等待時(shí)間之和與EMCCD相機(jī)的拍攝時(shí)間及停留時(shí)間之和相等。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述設(shè)備外圍模塊由暗箱、光學(xué)平臺(tái)以及各個(gè)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，光學(xué)平臺(tái)用于保證成像的精度，暗箱用于提供一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的抗干擾環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)，包括光源模塊，用于提供照射樣本的白光或激光；樣本承載定位模塊，用于樣本位置的調(diào)整以及帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)以采集多個(gè)角度的投影數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊，用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的匯聚，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性的采集；中央控制模塊，用于協(xié)調(diào)各部分的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光源的開閉和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，平移臺(tái)的中心校正，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置，EMCCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；設(shè)備外圍模塊，用于為成像提供一個(gè)抗干擾的穩(wěn)定環(huán)境。本發(fā)明無需損失生物組織器官的完整性即可獲得高清晰的三維結(jié)構(gòu)像，具有分辨率高、結(jié)構(gòu)功能一體化、無輻射、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102743159SQ20121026274
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者楊鑫, 田捷, 秦承虎, 董迪, 郭進(jìn), 馬喜波 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所